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东南大学学报（自然科学版） 2024年第2期54卷 294-302页

作者：慕儒王晶晶卿龙邦李杨管俊峰河北工业大学土木与交通学院天津300401 天津城建大学土木工程学院天津300384 华北水利水电大学土木与交通学院郑州450045

基于边界效应模型基本理论,建立了钢纤维长度与特征裂缝长度之间的关系,计算了定向钢纤维增强水泥基复合材料(ASFRC)的等效断裂韧度和拉伸强度,进而得到了ASFRC材料的断裂破坏曲线.结果表明,当离散系数分别取0.4~0.7和0.2~0.4时,可得到... 详细信息

基于边界效应模型基本理论,建立了钢纤维长度与特征裂缝长度之间的关系,计算了定向钢纤维增强水泥基复合材料(ASFRC)的等效断裂韧度和拉伸强度,进而得到了ASFRC材料的断裂破坏曲线.结果表明,当离散系数分别取0.4~0.7和0.2~0.4时,可得到较为合理的等效断裂韧度和拉伸强度值.对比分析ASFRC和随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料(SFRC)的断裂破坏曲线可以发现,满足线弹性断裂力学的最小试件尺寸随着离散系数的增大而增大;ASFRC和SFRC的拉伸强度和考虑初始裂缝影响的名义应力随着离散系数的增大而减小.此外,改进的简化解析公式不仅可确定材料的等效断裂韧度和拉伸强度,还可预测试件的破坏.

关键词：定向钢纤维增强水泥基复合材料边界效应模型等效断裂韧度拉伸强度断裂破坏曲线

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定向钢纤维增强水泥基复合材料干燥收缩及抗裂性细观模拟

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作者：郦子天河北工业大学

学位级别：硕士

干燥收缩是引起水泥基复合材料开裂的主要原因之一,环境中的侵蚀性介质通过裂缝进入材料内部,造成材料渗漏、腐蚀。因此,较低的干燥收缩是提高水泥基复合材料抗裂性的关键,对实际工程中裂缝控制具有重要意义。掺加钢纤维可以有效约束水... 详细信息

干燥收缩是引起水泥基复合材料开裂的主要原因之一,环境中的侵蚀性介质通过裂缝进入材料内部,造成材料渗漏、腐蚀。因此,较低的干燥收缩是提高水泥基复合材料抗裂性的关键,对实际工程中裂缝控制具有重要意义。掺加钢纤维可以有效约束水泥基复合材料的收缩,提高其抗裂性。显然,对于定向钢纤维增强水泥基复合材料（ASFRC）,规律性定向分布的钢纤维对基体收缩的约束作用与随机乱向钢纤维不同。针对水泥基复合材料在干燥环境中的收缩开裂问题,本文通过数值模拟和试验研究了定向钢纤维增强水泥基复合材料的干燥收缩和抗裂性能,深入研究定向钢纤维约束收缩开裂的机理,为实际工程中的收缩开裂问题提供有效的控制方法。具体研究内容及结果如下:（1）基于水泥基复合材料的水分扩散和干燥收缩理论,考虑钢纤维方向性的影响,建立用于分析ASFRC和SFRC水分扩散和干燥收缩及开裂的数值模型,为后续数值分析奠定理论基础。（2）分析钢纤维定向分布对水泥基复合材料水分扩散性能的影响。通过建立水分扩散数值模型,模拟钢纤维增强水泥基复合材料试件在干燥作用下水分的扩散过程,得到ASFRC和SFRC试件的相对湿度-龄期曲线。结果表明,钢纤维定向分布使试件内部保持较高的相对湿度,当钢纤维体积掺量分别为0.8%、1.0%、1.2%和2.0%时,经过360 d干燥,ASFRC的相对湿度相比SFRC分别高4.6%、5.7%、7.0%和12.5%。（3）分析钢纤维定向分布对水泥基复合材料干燥收缩性能的影响。基于水分扩散数值分析结果,根据干燥收缩与相对湿度之间的关系,模拟钢纤维增强水泥基复合材料试件的干燥收缩过程,得到ASFRC和SFRC试件的干燥收缩应变-龄期曲线。结果表明,在定向方向上钢纤维对基体收缩的约束作用大幅度提高,当钢纤维体积掺量分别为0.8%、1.0%、1.2%和2.0%时,经过360 d干燥,ASFRC棱柱体试件的干燥收缩应变比SFRC分别减小了19.5%、21.8%、29.6%和35.0%。（4）分析钢纤维定向分布对水泥基复合材料抗收缩开裂性能的影响。通过建立收缩开裂数值模型,模拟ASFRC和SFRC平板试件在干燥作用下收缩裂缝的起裂、扩展和最终贯通的过程。结果表明,ASFRC的抗收缩开裂性能优于SFRC,当钢纤维体积掺量分别为0.8%、1.2%和2.0%时,ASFRC平板试件在干燥24 h后的收缩裂缝长度比SFRC分别减小了19.2%、42.6%和24.7%。

关键词：定向钢纤维增强水泥基复合材料水分扩散干燥收缩收缩开裂细观模拟

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定向钢纤维增强水泥基复合材料干燥收缩及抗裂性能研究

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作者：赵云龙河北工业大学

学位级别：硕士

水泥基复合材料收缩变形导致开裂一直是困扰混凝土工程的问题之一,混凝土的开裂严重影响混凝土结构的寿命。因此控制水泥基材料裂缝的发生和发展、提高其耐久性能是提高混凝土工程质量和使用年限的关键。掺加钢纤维能有效改善水泥基复... 详细信息

水泥基复合材料收缩变形导致开裂一直是困扰混凝土工程的问题之一,混凝土的开裂严重影响混凝土结构的寿命。因此控制水泥基材料裂缝的发生和发展、提高其耐久性能是提高混凝土工程质量和使用年限的关键。掺加钢纤维能有效改善水泥基复合材料的抗裂性能,减少裂缝的宽度和数量。定向钢纤维增强水泥基复合材料作为一种新型复合材料,具有优良的抗拉、抗弯性能。由于钢纤维方向分布的特殊性,其收缩变形特性及抗裂性不同于传统钢纤维增强水泥基复合材料。同时,实际工程中,水泥基复合材料由于收缩而开裂的现象较多,例如楼板由于两个方向上收缩变形受到约束会在边角位置产生45°裂缝;路面等条形结构由于底部受到约束作用易产生垂直于长边方向的横向裂缝等,这些裂缝具有沿某一特定方向开裂的现象,采取将钢纤维定向的方法,使钢纤维方向与可能产生裂缝方向垂直,最大限度的利用钢纤维在混凝土在干燥收缩过程中对裂缝抑制的作用,从而减少混凝土开裂的可能,增长构件的寿命。因此研究钢纤维方向性对水泥基复合材料收缩性能的影响具有很强的现实意义。为此,本文具体研究工作及结果如下。(1)通过试验对比定向和随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料在不同基体类型、钢纤维掺量、基体水灰比等因素下自由干燥收缩,结果表明,定向钢纤维增强水泥基复合材料干燥收缩应变小于随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料;随着钢纤维掺量的增加,定向钢纤维增强水泥基复合材料的收缩应变逐渐变小。(2)分析钢纤维与水泥基材料之间应力传递作用,进而研究钢纤维方向性对收缩应变的影响,掌握钢纤维方向性对水泥基材料干燥收缩影响的规律,并建立了定向钢纤维增强水泥基复合材料自由干燥收缩模型,通过与试验测试比较,模型结果与试验结果基本吻合,表明模型合理。(3)通过平板法试验,对比观察定向与随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料不同方向收缩开裂情况,对定向钢纤维水泥基材料抗裂性能进行评价,从抗裂角度分析定向钢纤维水泥基复合材料的收缩性能。结果表明,定向钢纤维增强水泥基复合材料垂直于钢纤维方向抗裂性要优于随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料,而沿钢纤维方向的抗裂性要劣于随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料。

关键词：定向钢纤维增强水泥基复合材料干燥收缩约束收缩抗裂性能

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定向钢纤维增强水泥基复合材料轴拉力学性能研究

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作者：葛志明河北工业大学

学位级别：硕士

将钢纤维均匀掺入到混凝土中可有效起到增强、增韧的作用,进而改善混凝土抗拉强度低、脆性大、易开裂的缺点。钢纤维在基体中的分布方向影响其增强、增韧的效应,从而影响钢纤维增强水泥基复合材料的抗拉力学性能。定向钢纤维增强水泥基... 详细信息

将钢纤维均匀掺入到混凝土中可有效起到增强、增韧的作用,进而改善混凝土抗拉强度低、脆性大、易开裂的缺点。钢纤维在基体中的分布方向影响其增强、增韧的效应,从而影响钢纤维增强水泥基复合材料的抗拉力学性能。定向钢纤维增强水泥基复合材料内钢纤维按一定规律排列,当钢纤维分布方向与受拉方向一致时,其增强、增韧效应最大,材料的抗拉性能有明显提高。目前,关于定向钢纤维增强水泥基复合材料抗拉性能的研究鲜有报道,为此,本文通过开展单轴拉伸试验定量研究了定向钢纤维增强水泥基复合材料的抗拉性能,具体研究工作及成果如下:(1)自行设计并制备不同纤维掺量、纤维类型和基体强度的定向及普通乱向钢纤维水泥砂浆试件,其中定向钢纤维水泥砂浆试件的制备通过施加外部匀强磁场实现钢纤维在新拌水泥砂浆中的定向控制,使纤维方向趋向与受拉方向一致。(2)采用改进的粘钢法进行轴拉试验,获得不同因素下定向及普通乱向钢纤维水泥砂浆试件轴拉应力—应变全曲线。对比研究了定向及普通乱向钢纤维水泥砂浆的轴拉性能,定量分析了纤维掺量、纤维类型、基体强度对轴拉性能的影响。研究表明,定向钢纤维水泥砂浆的轴拉强度和韧性均高于普通乱向钢纤维水泥砂浆,且轴拉韧性提高显著;定向及普通乱向钢纤维水泥砂浆的轴拉性能随着纤维掺量和基体强度的提高而提高,且定向钢纤维水泥砂浆轴拉性能提高的幅度大于普通乱向钢纤维水泥砂浆;异型钢纤维(波浪型、端钩型)水泥砂浆的轴拉性能高于圆直型钢纤维水泥砂浆,且纤维定向使异型钢纤维的优势作用更加明显。(3)基于数字图像相关方法测量了钢纤维水泥砂浆试件表面的全场应变分布,揭示了轴拉荷载作用下试件损伤断裂的演变规律。研究表明,钢纤维水泥砂浆试件的受拉损伤断裂存在单缝开裂和多缝开裂,当水灰比达到0.32,纤维掺量达到2.0%时,定向钢纤维水泥砂浆试件出现了明显的多缝开裂现象。(4)基于纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸模型分析研究了水泥基复合材料中定向分布钢纤维的桥联应力,进而研究了定向钢纤维增强水泥基复合材料拉伸软化曲线,通过试验曲线与模型预测曲线的对比验证了模型的合理性和适用性。

关键词：定向钢纤维增强水泥基复合材料单轴拉伸应力—应变全曲线数字图像相关方法桥联应力

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